径向锻应变诱发制备空调压缩机铝合金曲轴的半固态工艺的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于金属半固态加工与成形技术领域，尤其涉及径向锻应变诱发制备空调压缩机铝合金曲轴的半固态工艺。
【背景技术】
[0002]近年来，轻量化成为工业领域的新热点。轻量化具体包括材料轻量化、工艺轻量化和结构轻量化。而材料轻量化主要是指用轻质的有色金属取代钢铁铜等，如铝合金和镁合金。如铝合金具有非常好的压铸性能和加工性能，且回收效率较高，回收过程无污染。
[0003]曲轴是空调压缩机中重要的运动部件之一，目前空调压缩机曲轴的制造主要采用金属型重力铸造工艺生产铸铁毛坯件，即为将液态铸铁以一定的速度浇到金属形模具型腔后，依靠液压金属的自重保持一定压力直至铸件完全凝固。然后对毛坯进行大量的机加工，以保证零件配合面的光洁度和形状公差。也有厂家采用液态金属触变模锻的工艺方法，冲头将一定体积的液态金属挤入金属型腔，并且冲头保持一定的压力直至铸件完全凝固。上述重力铸造成形工艺的毛坯件有较大的浇冒口系统，材料利用率低，铸件的机加工量大，增加生产成本。此外重力铸造过程中铸件受到的压力很小，凝固过程中毛坯件的缺陷较多，铸铁曲轴强度不高，部分零件的机械性能不能达到要求，废品率高，生产效率低。而液态金属触变模锻过程，液态金属的喷射及紊流导致零件内部卷入大量空气形成微孔洞，严重影响零件的机械性能，并且充型温度高，对模具的热冲击大。
[0004]为了进一步的实现空调压缩机曲轴的轻量化，可以采用铝合金半固态触变模锻工艺生产铝合金曲轴代替铸铁曲轴。半固态加工技术即采用微观组织为球状晶粒悬浮在共晶液相的半固态坯料进行成形的工艺。半固态成形技术的关键在于制备具有球状晶悬浮在共晶液相的半固态坯料。但是常规的制备方法均有各自的缺点:对于机械搅拌法，高温对机械搅拌器存在严重的腐蚀作用，导致浆料不纯。对于电磁搅拌法，半固态或者液态的浆料对电磁搅拌器有强烈的热辐射作用，导致电磁搅拌器需要增加额外的隔热冷却装置，设备复杂。且内部坯料存在成分偏析现象，坯料中心位置的微观组织较差，并且不可避免的存在微观孔洞，不能够获得均匀的、无缺陷的半固态坯料。而应变诱发激活法制备半固态坯料涉及到的主要塑性变形方法是压缩、乳制、等径角挤压、反复墩粗拔长等常规方法。但是这些方法制备大块坯料时，大塑性变形所需要的成形力过大，现有设备很难实现。因此不能够大批量的生产大尺寸的半固态坯料。
【发明内容】
[0005]为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供径向锻应变诱发制备空调压缩机铝合金曲轴的半固态工艺，通过该工艺可以制备出均匀的、无微观缺陷的铝合金半固态坯料并成形出微观组织缺陷少、机械性能好的铝合金曲轴，取代铸铁曲轴。
[0006]为了达到上述目的，本发明采取如下的技术方案:
[0007]径向锻应变诱发制备空调压缩机铝合金曲轴的半固态工艺，包括以下步骤:
[0008]I)预热铝合金棒材，将铝合金棒材随炉加热至250?350°C并保温，对于不同直径的棒料具体的保温时间为0.5D?0.7D分钟，D为棒材的直径；
[0009]2)对铝合金棒材进行径向锻造，即通过机械手夹持预热铝合金棒材旋转轴向送进，径向锻机在坯料周围对称分布四个锤头，沿坯料径向进行高频率往复锻打，使坯料在多头螺旋式延伸变形情况下拔长变细，断面收缩率达到60%以上；
[0010]3)径向锻造后坯料的二次重熔，将径向锻造后的坯料放回电炉或者中频感应加热炉中进行二次重熔，即加热至585?595°C并保温15?20min，即获得具有球状晶悬浮在共晶液相的半固态坯料，此时铝合金棒材对应的固相率为35.5?52.5% ；
[0011]4)铝合金曲轴的半固态触变模锻，对模具型腔和芯棒进行预热，预热温度为200?300°C，并将按照曲轴毛坯体积分段切割后的二次重熔后坯料放入模具型腔，上模以30mm/s?50mm/s的压下速度闭合模具型腔，合模后，芯棒从两侧向内挤压，上模具继续持续加压，保证曲轴零件所受比压为SO-1OOMpa直至零件完全凝固；
[0012]5)铝合金曲轴的后续处理，将半固态触变模锻获得的铝合金曲轴进行T6热处理，并对曲轴进行化学气相沉积处理，保证沉积层厚度达到3mm，硬度达到45HRC。
[0013]相对于现有技术，本发明采用径向锻造技术用于制备铝合金半固态坯料并采用半固态触变模锻工艺制造铝合金曲轴零件具有以下优点:
[0014]1.本发明采用径向锻造技术采用多次小变形连续锻造的方式实现坯料的大塑性变形，并通过随后的二次重熔过程制备出具有微观组织良好，成形性能良好的半固态浆料，工艺过程简单，容易操作，避免了机械搅拌法和电磁搅拌法存在的成分偏析，微观组织不均匀的缺陷。径向锻造应变诱发法有效的解决传统应变诱发法采用的常规塑性变形方法存在的体积限制的困难。大大降低了塑性成形力，能够在小吨位的设备上连续大批量制造铝合金半固态坯料，具有成本低、连续生产能力强及性能高的特点。因此该方法可取代或部分取代采用其他塑性变形方式制备的铝合金，镁合金，以及钢铁材料的半固态坯料。
[0015]2.本发明采用半固态触变模锻工艺成形铝合金曲轴的金相组织为独立细小的球状晶分布在低熔点共晶体上，避免了液态模锻件或者铸造中传统枝晶组织而出现的微观应力集中。此外，半固态浆料以层流运动的方式顺序充填模具型腔，并且芯轴和上模同时保压至零件凝固，不仅有利于排出模具型腔内的空气，而且避免了液态模锻或压铸时液态金属的紊流和喷射现象带来的气孔以及缩松缩孔等微观组织缺陷，因此可以进行热处理以及化学气相沉积处理，铝合金在T6热处理后的拉伸强度可达到290?310Mpa，伸长率达到8% -10%，机械性能与铸铁曲轴相当。
【附图说明】
[0016]图1是本发明的工艺原理示意图。
[0017]图2是本发明的工艺流程图。
【具体实施方式】
[0018]以下结合附图以Φ60πιπι的铝合金棒举例，对本发明作进一步的详细说明。
[0019]参照图1和图2，径向锻应变诱发制备空调压缩机铝合金曲轴的半固态工艺，包括以下步骤:
[0020]I)预热铝合金棒材，将Φ60铝合金棒材随炉加热至250?350°C并保温30?40分钟，保证整个坯料热透；
[0021]2)对铝合金棒材进行径向锻造，即通过机械手夹持预热铝合金棒材旋转轴向送进，径向锻机在坯料周围对称分布四个锤头，沿坯料径向进行高频率往复锻打，使坯料在多头螺旋式延伸变形情况下拔长变细，断面收缩率达到60%以上；
[0022]3)径向锻造后坯料的二次重熔，将径向锻造后的坯料放回电炉或者中频感应加热炉中进行二次重熔，即加热至585?595°C并保温15?20min，即获得具有球状晶悬浮在共晶液相的半固态坯料，此时铝合金棒材对应的固相率为35.5?52.5% ；
[0023]4)铝合金曲轴的半固态触变模锻，对模具型腔和芯棒进行预热，预热温度为200?300°C，并将按照曲轴毛坯体积分段切割后的二次重熔后坯料放入模具型腔，上模以30mm/s?50mm/s的压下速度闭合模具型腔，合模后，芯棒从两侧向内挤压，上模具继续持续加压，保证曲轴零件所受比压为SO-1OOMpa直至零件完全凝固；
[0024]5)铝合金曲轴的后续处理，将半固态触变模锻获得的铝合金曲轴进行T6热处理，进一步增加其力学性能，并对曲轴进行化学气相沉积处理，保证沉积层厚度达到3mm，硬度达到45HRC，以增强表面的耐磨性。
[0025]通过以上步骤，能够获得80?10um的球状晶粒均匀的分布在共晶基体中且微观组织缺陷较少的铝合金半固态坯料，显著的减少了电磁搅拌机械搅拌等方法出现的成分偏析、缩松缩孔等微观缺陷。半固态触变模锻工艺有利于层流式顺序充填模具型腔，可制备出气孔少，缩松缩孔少，组织均匀的铝合金曲轴制件，并通过T6热处理以及化学气相沉积增强曲轴的机械性能，保证其性能与铸铁曲轴相当。
【主权项】
1.径向锻应变诱发制备空调压缩机铝合金曲轴的半固态工艺，其特征在于，包括以下步骤: 1)预热铝合金棒材，将铝合金棒材随炉加热至250?350°C并保温，对于不同直径的棒料具体的保温时间为0.5D?0.7D分钟，D为棒材的直径； 2)对铝合金棒材进行径向锻造，即通过机械手夹持预热铝合金棒材旋转轴向送进，径向锻机在坯料周围对称分布四个锤头，沿坯料径向进行高频率往复锻打，使坯料在多头螺旋式延伸变形情况下拔长变细，断面收缩率达到60%以上； 3)径向锻造后坯料的二次重熔，将径向锻造后的坯料放回电炉或者中频感应加热炉中进行二次重熔，即加热至585?595°C并保温15?20min，即获得具有球状晶悬浮在共晶液相的半固态坯料，此时铝合金棒材对应的固相率为35.5?52.5% ； 4)铝合金曲轴的半固态触变模锻，对模具型腔和芯棒进行预热，预热温度为200?300°C，并将按照曲轴毛坯体积分段切割后的二次重熔后坯料放入模具型腔，上模以30mm/s?50mm/s的压下速度闭合模具型腔，合模后，芯棒从两侧向内挤压，上模具继续持续加压，保证曲轴零件所受比压为SO-1OOMpa直至零件完全凝固； 5)铝合金曲轴的后续处理，将半固态触变模锻获得的铝合金曲轴进行T6热处理，并对曲轴进行化学气相沉积处理，保证沉积层厚度达到3mm，硬度达到45HRC。
【专利摘要】径向锻应变诱发制备空调压缩机铝合金曲轴的半固态工艺，预热铝合金棒材，对铝合金棒材进行径向锻造，径向锻造后坯料的二次重熔，然后进行铝合金曲轴的半固态触变模锻，最后进行铝合金曲轴的后续处理，通过该工艺可以制备出均匀的、无微观缺陷的铝合金半固态坯料并成形出微观组织缺陷少、机械性能好的铝合金曲轴，取代铸铁曲轴，工艺过程简单，容易操作。
【IPC分类】B21J5-02, B21J5-00, B21K1-08
【公开号】CN104525829
【申请号】CN201410828401
【发明人】赵升吨, 张晨阳, 王永飞, 韩晓兰, 李靖祥
【申请人】西安交通大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月26日